基于荷載試驗(yàn)的直腹式帶翼小箱梁橋承載能力研究

潘文超，袁勝濤，游鵬升，聶良鵬，許鵬

(云南通衢工程檢測(cè)有限公司，云南 昆明 650041)

過(guò)橋車輛超載在中國(guó)十分普遍，橋梁超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)會(huì)增加橋梁損傷概率。常通過(guò)荷載試驗(yàn)了解橋梁的真實(shí)受力狀況，評(píng)估其承載能力，如楊松等對(duì)某三跨簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)；周宏宇等對(duì)城際軌道交通高架橋進(jìn)行了車行疲勞累積損傷試驗(yàn)研究；王燕等對(duì)新建變截面連續(xù)箱梁橋進(jìn)行了靜動(dòng)載試驗(yàn)與性能評(píng)價(jià)；劉大鵬對(duì)變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)分析；Demeke B.等對(duì)斜交小箱梁動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析；Mohseni Iman等研究了中橫隔板對(duì)多室箱梁荷載橫向分布的影響；楊美良等通過(guò)荷載試驗(yàn)研究了組合式小箱梁橋荷載橫向分布；鐘小軍通過(guò)空間有限元計(jì)算和荷載試驗(yàn)，分析了裝配式小箱梁橋荷載橫向分布。該文通過(guò)荷載試驗(yàn)分析直腹式帶翼小箱梁橋在荷載作用下的承載能力。

1 工程概況

某直腹式帶翼小箱梁橋，上部結(jié)構(gòu)由6片20 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁組成，橋跨連接為簡(jiǎn)支變連續(xù)，各箱梁之間橫向無(wú)橫隔梁連接，腹板為直腹式；下部結(jié)構(gòu)由肋板橋臺(tái)、雙柱橋墩和墩臺(tái)樁基礎(chǔ)組成。全長(zhǎng)60 m，共三跨；橋梁總寬為0.5 m+10 m+0.5 m；梁高為1.8 m。橋面鋪裝由10 cm厚C50混凝土和無(wú)機(jī)防水層組成，橋面橫坡為2%，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 靜載試驗(yàn)原則

靜載試驗(yàn)主要測(cè)試橋梁上部主體結(jié)構(gòu)各控制截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、位移及卸載后殘余應(yīng)變和殘余變形，評(píng)價(jià)橋梁主體結(jié)構(gòu)性能。采用載重汽車模擬設(shè)計(jì)荷載，在梁體結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力影響線最不利位置加載，使其試驗(yàn)荷載效率系數(shù)滿足規(guī)范要求。通過(guò)計(jì)算分析確定靜載試驗(yàn)所需載重車的重量，載重車軸距見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)車輛示意圖(單位：cm)

應(yīng)變測(cè)試：應(yīng)變片布置于測(cè)試截面箱梁底部和箱梁腹板，其電阻為120 Ω，靈敏度系數(shù)為2.08，標(biāo)距為10 cm。采用DH3819無(wú)線靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀回收數(shù)據(jù)。

撓度測(cè)試：在各控制截面箱梁頂部布設(shè)撓度測(cè)點(diǎn)，采用徠卡全站儀測(cè)量橋梁撓度。

2.2 測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)受力最不利原理，選擇1#跨作為測(cè)試跨，主要測(cè)試1#跨J1、J2截面各主梁的應(yīng)力及變形，測(cè)試截面布置見(jiàn)圖2。在各控制截面箱梁底部和5#梁側(cè)面布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，沿大里程方向，從左往右，J1斷面布設(shè)18個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，J2斷面布設(shè)12個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，其中J2斷面腹板未設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；在各控制截面底部布設(shè)撓度測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。

圖2 測(cè)試截面布置(單位：cm)

圖3 各控制截面應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

2.3 荷載布置與測(cè)試工況

在1#跨J1和J2截面依次進(jìn)行加載，每個(gè)截面沿橫向布置2輛加載車，加載方式分為中載和偏載；每個(gè)截面縱向加載車以相同的方式布置，其中梁端剪力截面加載方式為偏載。結(jié)構(gòu)計(jì)算按公路-Ⅰ級(jí)在最不利位置布載，取控制截面最大正彎矩加載截面的控制值。荷載試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 荷載試驗(yàn)工況

2.4 靜載試驗(yàn)效率

根據(jù)控制內(nèi)力等效原則選擇測(cè)試車數(shù)量和軸重，使靜載效率ηq為0.85～1.05，滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載效應(yīng)要求。該橋靜載效率值見(jiàn)表2。

表2 靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.5.1 梁底應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

各工況下1#～6#梁底測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)試值Se、理論值Ss、殘余值Sp和相對(duì)殘余應(yīng)變值S′p見(jiàn)表3。由表3可知：各工況下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)η為0.46～0.90，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)和材料均符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)整體工作性能良好；相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為8.33%，小于規(guī)范允許值20%，說(shuō)明該橋整體剛度有一定余量，橋梁上部結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段。綜上，在受力作用下，各測(cè)試截面無(wú)異常，橋梁整體處于正常受力狀態(tài)。

表3 實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論應(yīng)變的比較

續(xù)表3

各測(cè)點(diǎn)彈性應(yīng)變與理論彈性應(yīng)變對(duì)比見(jiàn)圖4。由圖4可知：不同荷載作用下，各截面的測(cè)試應(yīng)變沿橋橫向變化規(guī)律與計(jì)算值一致，且測(cè)試值均小于理論值，說(shuō)明該橋橫向力傳遞正常，橋梁整體剛度分布較均勻。

圖4 各工況下理論彈性應(yīng)變與實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變對(duì)比

2.5.2 梁體側(cè)面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

試驗(yàn)荷載作用下5#梁腹板的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)測(cè)試應(yīng)變沿梁高度的分布，分析5#梁中性軸的高度及工作狀況，結(jié)果見(jiàn)圖5。

表4 5#梁側(cè)面實(shí)測(cè)應(yīng)變-梁高比較

由圖5可知：5#梁測(cè)試應(yīng)變分布沿梁高具有良好的線性關(guān)系，梁腹板截面的變形符合平面假設(shè)，說(shuō)明5#梁在車輛荷載作用下處于彈性變形階段；根據(jù)線性回歸方程，5#梁測(cè)試中性軸與梁底距離為122.15 cm，理論計(jì)算中性軸高度為111.06 cm，兩者存在一定偏差，原因是橋面鋪裝、混凝土護(hù)欄等參與受力，屬于正常現(xiàn)象。

圖5 實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變-梁高分布

2.5.3 撓度測(cè)試結(jié)果分析

表5 實(shí)測(cè)撓度與理論撓度比較

各測(cè)點(diǎn)彈性撓度與理論彈性撓度對(duì)比見(jiàn)圖6。由圖6可知：各工況下各測(cè)點(diǎn)的彈性撓度值與理論彈性撓度值沿橋橫向變化基本一致，且實(shí)測(cè)彈性撓度均小于理論彈性撓度，表明結(jié)構(gòu)整體橫向傳力正常，剛度分配較均勻。工況1和工況3下6#梁實(shí)測(cè)彈性撓度降低，這是由混凝土護(hù)欄參與主梁受力所引起，屬于正常現(xiàn)象。

圖6 各工況下理論彈性撓度與實(shí)測(cè)彈性撓度對(duì)比

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

動(dòng)力荷載試驗(yàn)主要包括脈動(dòng)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)。脈動(dòng)測(cè)試采用DH5907N無(wú)線模態(tài)測(cè)試儀測(cè)試橋梁自振特性。跑車試驗(yàn)采用DH5908動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀收集和分析動(dòng)應(yīng)變，采用1輛950 kN的特重汽車以10～30 km/h的速度沿行車道中心線勻速過(guò)橋，在移動(dòng)荷載下測(cè)試橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變。

3.2 自振特性測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)環(huán)境激振下橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)和跑車試驗(yàn)的余振信號(hào)，可得出橋梁的自振特性和阻尼比。該橋自振基本頻率測(cè)試值與有限元軟件計(jì)算值見(jiàn)表6。

表6 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值對(duì)比

由表6可知：實(shí)測(cè)基頻高于理論固有基頻，表明結(jié)構(gòu)剛度高于理論剛度；1階、2階豎彎實(shí)測(cè)基頻與理論基頻的比值分別為1.143、1.085，滿足≥0.9的要求，該橋整體結(jié)構(gòu)剛度較強(qiáng)；1階、2階測(cè)試豎彎振型與理論振型吻合較好，阻尼比很小，表明橋梁整體性能良好，結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗衰減能力。

3.3 沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果分析

選擇1#跨J1、J2截面的3#梁、4#梁進(jìn)行跑車試驗(yàn)，測(cè)試車輛荷載作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，根據(jù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的峰值和谷值計(jì)算應(yīng)變沖擊系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表7。根據(jù)理論計(jì)算基頻，該橋理論計(jì)算沖擊系數(shù)μ=0.39。

表7 沖擊系數(shù)測(cè)試值

由表9可知：隨著車速的提高，沖擊系數(shù)遞增，但變化很小，最大沖擊系數(shù)為1.27，相應(yīng)動(dòng)應(yīng)變?cè)隽繛?.27，小于理論計(jì)算值0.39，橋面行車舒適。

4 結(jié)論

(1) 各工況下橋梁靜載效率為0.94～0.98，在規(guī)范允許值0.85～1.05范圍內(nèi)。

(2) 各工況下偏載和中載撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.56～0.98，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.46～0.90，表明橋梁整體剛度較大且具有一定富余。

(3) 各工況下測(cè)試截面10個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形和殘余應(yīng)變均為零，相對(duì)殘余應(yīng)變和殘余變形最大值分別為8.33%、2.94%，都未超出20%的規(guī)范極限值，表明該橋整體處于彈性工作狀態(tài)，整體剛度較大。

(4) 根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，該橋豎向1階、2階振動(dòng)實(shí)測(cè)頻率與理論頻率的比值分別為1.143、1.085，滿足規(guī)范≥0.9的要求；動(dòng)態(tài)應(yīng)變?cè)隽繛?.27，小于理論計(jì)算值0.39，表明橋面行車舒適，橋梁結(jié)構(gòu)滿足承載力要求。